MPK级联途径在UV-B辐射诱导拟南芥气孔关闭中的作用及其与过氧化氢、一氧化氮和乙烯之间的相互关系研究

臭氧层减薄导致的紫外线B(UV-B)辐射增强是当今人类面临的全球性重大环境问题之一。前人关于UV-B辐射对植物的影响已进行了大量研究，但对植物感应UV-B辐射的信号传导机制研究较少，特别是关于促分裂原活化蛋白激酶(MPK)信号级联途径在UV-B信号传递中的作用研究更少。本项目拟以模式植物拟南芥为材料，以保卫细胞气孔运动为研究对象，结合分子生物学、遗传学、细胞生物学和生物化学的研究方法和手段，首先确定参与UV-B辐射诱导气孔关闭的AtMPK激酶（AtMEK）的种类；然后，研究在UV-B辐射下与各种AtMEK相互作用的AtMPKs，建立参与UV-B辐射信号转导的各种MPK信号级联途径；最后，研究不同MPK信号级联途径分别与过氧化氢、一氧化氮和乙烯之间的相互关系。该研究不仅有助于人们深入理解UV-B辐射的信号传导机制，而且有助于进一步阐明不同刺激下MPK信号级联途径与其它信号分子之间的复杂关系。

近年来，虽然植物细胞响应UV-B辐射的信号转导机制的研究已取得很大进展，但关于促分裂原活化蛋白激酶（MPK）信号途径在UV-B辐射信号传递中的作用却研究较少。本项目以拟南芥为材料，主要研究了MPK信号途径、异三聚体G蛋白、乙烯信号转导组分、胞质碱化和磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）在UV-B诱导气孔关闭中的作用及其与过氧化氢（H2O2）和一氧化氮（NO）之间的相互关系。结果表明：UV-B辐射一方面活化了MPK蛋白磷酸酶MKP1，另一方面依赖于NADPH氧化酶途径来源的H2O2以及MEK1，MEK3和MEK4活化了MPK3和MPK6；MEK1/3/4和MPK6作为正调节因子参与了UV-B诱导的气孔关闭，其作用是介导UV-B辐射下H2O2诱导保卫细胞Nia1途径来源的NO生成；UV-B活化的MKP1通过促使其靶蛋白MPK6的失活而负调节UV-B诱导的保卫细胞NO生成以及气孔关闭。同时，本项目研究也表明异三聚体G蛋白α亚基GPA1、乙烯受体ETR1、ERS1和EIN4、铜离子转运体RAN1、乙烯信号转导组分CTR1、EIN2、EIN3和ARR2、胞质碱化和PI3P均参与了UV-B诱导的气孔关闭，它们的关系是乙烯、GPA1、胞质碱化和PI3P均作用于H2O2的上游，GPA1作用于RAN1、ETR1、ERS1、EIN4和CTR1的下游和H2O2的上游，而EIN2、EIN3和ARR2的作用在H2O2的下游和NO的上游。因此，本项目表明UV-B诱导气孔关闭的信号转导途径是：UV-B首先诱导乙烯和PI3P生成及胞质碱化，乙烯在RAN1的介导下与其受体ETR1、ERS1和EIN4结合导致CTR1失活，CTR1的失活活化了GPA1，活化的GPA1诱导NADPH氧化酶途径来源的H2O2产生，H2O2依赖于MEK1/3/4和MPK6组成的级联途径以及乙烯受体ETR1和ERS1和乙烯信号转导组分EIN2、EIN3和ARR2诱导保卫细胞NO产生进而诱导气孔关闭；另一方面，UV-B通过活化MKP1而负调节UV-B诱导的气孔关闭从而使UV-B辐射下气孔开度处在适宜的水平。本项目的研究结果将有助于人们深入认识MPK信号级联途径、异三聚体G蛋白、乙烯信号转导组分、胞质碱化、PI3P、H2O2和NO在植物细胞响应UV-B辐射信号中的作用及其相互关系。